Глюкоза в химии
Способ получения глюкозы в промышленности был запатентован 1923 году в США Уильямом Б. Ньюкирком. Особенность способа — в тщательном контроле условий кристаллизации, благодаря чему глюкоза выпадала из раствора в виде чистых, крупных кристаллов.
Определение, полная характеристика глюкозы
— кристаллическое вещество без запаха; органическое соединение, моносахарид (шестиатомный гидроксиальдегид, гексоза). Является одним из самых распространенных источников энергии в жи
Большая ее часть (около 70 %) подвергается в тканях медленному окислению, при этом выделяется энергия и образуются конечные продукты — углекислый газ и вода (процесс гликолиза):
Глюкозное звено входит в состав полисахаридов (целлюлоза, крахмал, гликоген) и ряда дисахаридов (мальтозы, лактозы и сахарозы), быстро расщепляемые в пищеварительном тракте на мономеры.
Структурная формула, химические свойства
Раствор глюкозы не дает окрашивания с фуксинсернистой кислотой, являющейся реактивом для обнаружения альдегидов. О строении молекулы глюкозы стало известно благодаря опытным данным. Она реагирует с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры с содержанием от 1 до 5 остатков кислоты.
Смесь раствора глюкозы с гидроксидом меди (II) дает растворимый осадок, и образуется ярко-синий раствор соединения меди, т. е. произойдет качественная реакция на многоатомные спирты. Следовательно, глюкоза — многоатомный спирт.
Если подогреть полученный раствор, то вновь выпадет осадок, но уже красноватого цвета, т. е. произойдет качественная реакция на альдегиды. Аналогично, если нагреть раствор глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра, то произойдет реакция «серебряного зеркала». Следовательно, глюкоза одновременно — многоатомный спирт и альдегид/альдегидоспирт.
Всего в молекуле глюкозы шесть атомов углерода, один атом входит в состав альдегидной группы. Остальные пять атомов связываются с пятью гидроксигруппами. Атомы водорода распределяются с учетом четырехвалентности углерода.
Достоверно известно о наличии в растворе глюкозы помимо линейных (альдегидных), молекул циклического строения, из которых состоит кристаллическая глюкоза.
Циклическая формула наряду с порядком связи атомов показывает их расположение в пространстве.
В результате взаимодействия первого и пятого атомов углерода появляется новая гидроксигруппа у первого атома, которая выбирает в пространстве два положения: над и под плоскостью цикла, а потому возможны две циклические формы глюкозы:
В растворе более устойчива β-форма. Их взаимопревращение происходит через промежуточное образование альдегидной формы.
Химические свойства глюкозы
Химические свойства глюкозы, как и любого другого органического вещества, определяются ее строением. Для нее характерны свойства и альдегидов, и многоатомных спиртов.
Реакции глюкозы как многоатомного спирта
Глюкоза дает качественную реакцию многоатомных спиртов — со свежеполученным гидроксидом меди (II), образуя ярко-синий раствор соединения меди (II).
Глюкоза, подобно спиртам, может образовать сложные эфиры.
Реакции глюкозы как альдегида
Глюкоза как альдегид способна окисляться в соответствующую (глюконовую) кислоту и давать качественные реакции альдегидов.
Реакция со свежеполученным гидроксидом меди (II) при нагревании:
Восстановление альдегидной группы
Глюкоза может восстанавливаться в соответствующий спирт (сорбит):
Реакция брожения
Эти реакции протекают под действием особых биологических катализаторов белковой природы — ферментов. Из различных видов брожения отметим:
1. Спиртовое брожение
2. Молочнокислое брожение.
Особенности процесса окисления глюкозы
В водном растворе глюкозы в динамическом равновесии находятся три ее изомерные формы:
В установившемся динамическом равновесии больше всего β-формы (около 63 %), так как она энергетически предпочтительнее. Количество линейной формы очень мало (всего около 0.0026 %).
Динамическое равновесие можно сместить. При взаимодействии глюкозы с аммиачным раствором оксида серебра (при нагревании) количество ее альдегидной формы, которой в растворе очень мало, пополняется все время за счет циклических форм, и глюкоза полностью подвергается окислению до глюконовой кислоты.
Изомером альдегидоспирта глюкозы является кетоноспирт — фруктоза
Важно, что процесс окисления протекает постепенно, через последовательные стадии.
Применение глюкозы
Глюкоза — основной источник энергии в живой клетке, поэтому она широко применяется в медицине при лечении различных заболеваний, особенно при общем истощении организма. Чтобы превратиться в энергию, глюкозе нужно пройти путь, который не бывает одинаковым и зависит от определенных условий.
Таким образом, разделяют 2 разных вида ее превращения.
Полученный восстановлением глюкозы сорбит используют при диабете в качестве заменителя сахара.
Польза и вред от глюкозы
Этот альдегид может быть применен в медицине при пищевом отравлении либо инфекциях. В данном случае его вводят при помощи капельницы внутривенным путем. Глюкоза является универсальным антитоксическим средством.
Растворы глюкозы применяются в качестве питательной среды для размножения кормовых дрожжей. Спиртовым брожением глюкозы получают пищевой этиловый спирт.
Реакция «серебряного зеркала» глюкозы используется при изготовлении зеркальных поверхностей и елочных украшений. В текстильной промышленности глюкоза используется для отделки тканей. Для всех этих целей глюкозу получают из крахмала, подвергая его гидролизу в присутствии минеральных кислот.
Глюкоза необходима для выработки энергии в организме, но при этом в прямом смысле токсична в случае передозировки. Поэтому организмом предусмотрены меры самозащиты.
При повышении глюкозы крови вырабатывается инсулин, который помогает клеткам ее усвоить. Лишнее оседает в печени и преобразуется в гликоген. Если избыток все еще остается, он резервируется в виде жира.
Что произойдет, если система даст сбой, и инсулин перестанет вырабатываться?
Поэтому, необходимо контролировать уровень глюкозы в крови на протяжении всей жизни. Особенно, если есть генетическая предрасположенность к диабетическим заболеваниям.
Биологически важные вещества: жиры, белки, углеводы (моносахариды, дисахариды, полисахариды). Теория для ЕГЭ по химии.
Получение и свойства
– это сложные эфиры, образованные глицерином и высшими одноосновными карбоновыми кислотами (жирными кислотами).
Жиры образуются при взаимодействии глицерина и высших карбоновых кислот:
Общее название жиров – триацилглицерины (триглицериды).
Существует несколько способов назвать молекулу жира.
Например, жир, образованный тремя остатками стеариновой кислоты, будет иметь следующие названия:
Физические свойства жиров
Жиры растворимы в органических растворителях и нерастворимы в воде. С водой жиры не смешиваются.
Химические свойства жиров
1. Гидролиз (омыление) жиров
Жиры подвергаются гидролизу в кислой или щелочной среде или под действием ферментов.
Кислотный гидролиз
Под действием кислот жиры гидролизуются до глицерина и карбоновых кислот, которых входили в молекулу жира.
Например, при гидролизе тристеарата глицерина в кислой среде образуется стеариновая кислота и глицерин
Щелочной гидролиз — омыление жиров
При щелочном гидролизе жиров образуется глицерин и соли карбоновых кислот, входивших в состав жира.
Например, при гидролизе тристеарата глицерина гидроксидом натрия образуется стеарат натрия
Гидрирование (гидрогенизация) ненасыщенных жиров
Гидрогенизация жиров — это процесс присоединения водорода к остаткам непредельных кислот, входящих в состав жира.
При этом остатки непредельных кислот переходят в остатки предельных, жидкие растительные жиры превращаются в твёрдые (маргарин).
триолеат глицерина при гидрировании превращается в тристеарат глицерина:
Количественной характеристикой степени ненасыщенности жиров служит йодное число, показывающее, какая масса йода может присоединиться по двойным связям к 100 г жира.
Мыло и синтетические моющие средства
При щелочном гидролизе жиров образуются мыла – соли высших жирных кислот.
Стеарат натрия – твёрдое мыло.
Стеарат калия – жидкое мыло.
Моющая способность мыла зависит от жесткости воды. Оно хорошо мылится и стирает в мягкой воде, плохо стирает в жёсткой воде и совсем не стирает в морской воде, так как содержащие в ней ионы Ca2+ и Mg2+ дают с высшими кислотами нерастворимые в воде соли.
тристеарат глицерина взаимодействует с сульфатом кальция
Поэтому наряду с мылом используют синтетические моющие средства.
Их производят из других веществ, например из алкилсульфатов — солей сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты.
Спирт реагирует с серной кислотой с образованием алкилсульфата.
Далее алкилсульфат гидролизуется щелочью:
Эти соли содержат в молекуле от 12 до 14 углеродных атомов и обладают очень хорошими моющими свойствами. Кальциевые и магниевые соли этих веществ растворимы в воде, а потому такие мыла моют и в жесткой воде. Алкилсульфаты содержатся во многих стиральных порошках.
Белки (полипептиды) – биополимеры, построенные из остатков α-аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями.
Образование белковой макромолекулы можно представить как реакцию поликонденсации α-аминокислот:
Макромолекулы белков имеют стереорегулярное строение, исключительно важное для проявления ими определенных биологических свойств.
Качественные реакции на белки
Видеоопыт взаимодействия белка с гидроксидом меди (II) можно посмотреть здесь.
Видеоопыт взаимодействия белка с концентрированной азотной кислотой можно посмотреть здесь.
Денатурация белка
Это разрушение структуры белка при нагревании, изменении кислотности среды, действии излучения, спирта, тяжелых металлов, радиации.
Пример денатурации — свертывание яичных белков при варке яиц.
Видеоопыт денатурации белка можно посмотреть здесь.
Денатурация бывает обратимой и необратимой.
Анализируя продукты гидролиза, можно установить количественный состав белков.
– органические соединения, имеющие сходное строение, состав большинства которых отражает формула Cx(H2O)y, где x, y ≥ 3.
Исключение составляет дезоксирибоза, которая имеют формулу С5Н10O4 (на один атом кислорода меньше, чем рибоза).
По числу структурных звеньев
Некоторые важнейшие углеводы:
По числу атомов углерода в молекуле
Все углеводы горят до углекислого газа и воды.
Например, при горении глюкозы образуются вода и углекислый газ
Взаимодействие с концентрированной серной кислотой
Концентрированная серная кислота отнимает воду от углеводов, при этом образуется углерод С («обугливание») и вода.
Например, при действии концентрированной серной кислоты на глюкозу образуются углерод и вода
Моносахариды – гетерофункциональные соединения, в состав их молекул входит одна карбонильная группа (группа альдегида или кетона) и несколько гидроксильных.
Моносахариды являются структурными звеньями олигосахаридов и полисахаридов.
Глюкоза – это альдегидоспирт (альдоза).
Она содержит шесть атомов углерода, одну альдегидную и пять гидроксогрупп.
Глюкоза существует в растворах не только в виде линейной, но и циклических формах (альфа и бета), которые являются пиранозными (содержат шесть звеньев):
В водном растворе глюкозы существует динамическое равновесие между двумя циклическими формами — α и β и линейной формой:
Реакция со свежеосажденным гидроксидом меди (II)
При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с глюкозой (и другими моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета.
Реакции на карбонильную группу — CH=O
Глюкоза проявляет свойства, характерные для альдегидов.
Концентрированная азотная кислота окисляет не только альдегидную группу, но и гидроксогруппу на другом конце углеродной цепи.
Спиртовое брожение. При спиртовом брожении глюкозы образуются спирт и углекислый газ:
Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении глюкозы образуется молочная кислота:
Маслянокислое брожение. При маслянокислом брожении глюкозы образуется масляная кислота (внезапно):
Глюкоза способна образовывать простые и сложные эфиры.
Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила.
Например, α-D-глюкоза взаимодействует с метанолом.
При этом образуется монометиловый эфир глюкозы (α-O-метил-D-глюкозид):
Простые эфиры глюкозы получили название гликозидов.
В более жестких условиях (например, с CH3-I) возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.
Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами.
Например, β-D-глюкоза реагирует с уксусным ангидридом в соотношении 1:5 с образованием пентаацетата глюкозы (β-пентаацетил-D-глюкозы):
В присутствии кислот крахмал гидролизуется:
Синтез из формальдегида
Реакция была впервые изучена А. М. Бутлеровым. Синтез проходит в присутствии гидроксида кальция:
В растениях углеводы образуются в результате реакции фотосинтеза из CO2 и Н2О:
Фруктоза — структурный изомер глюкозы. Это кетоноспирт (кетоза): она тоже может существовать в циклических формах (фуранозы).
Она содержит шесть атомов углерода, одну кетоновую группу и пять гидроксогрупп.
Фруктоза – кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза.
В свободном виде содержится в мёде и фруктах.
Химические свойства фруктозы связаны с наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.
При гидрировании фруктозы также получается сорбит.
Дисахариды – это углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединенных друг с другом за счет взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой).
Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) С12Н22О11
Молекула сахарозы состоит из остатков α-глюкозы и β-фруктозы, соединенных друг с другом:
В молекуле сахарозы гликозидный атом углерода глюкозы связан из-за образования кислородного мостика с фруктозой, поэтому сахароза не образует открытую (альдегидную) форму.
Поэтому сахароза не вступает в реакции альдегидной группы – с аммиачным раствором оксида серебра с гидроксидом меди при нагревании.
Такие дисахариды называют невосстанавливающими, т.е. не способными окисляться.
Сахароза подвергается гидролизу подкисленной водой. При этом образуются глюкоза и фруктоза:
Это дисахарид, состоящий из двух остатков α-глюкозы, она является промежуточным веществом при гидролизе крахмала.
Мальтоза является восстанавливающим дисахаридом (одно из циклических звеньев может раскрываться в альдегидную группу) и вступает в реакции, характерные для альдегидов.
При гидролизе мальтозы образуется глюкоза.
Полисахариды — это природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов.
Основные представители — крахмал и целлюлоза — построены из остатков одного моносахарида — глюкозы.
Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C6H10O5)n, но совершенно различные свойства.
Это объясняется особенностями их пространственного строения.
Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза – из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы:
Крахмалом называется полисахарид, построенный из остатков циклической α-глюкозы.
В его состав входят:
Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков α-глюкозы (средняя молекулярная масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.
Амилопектин имеет разветвленное строение и гораздо большую молекулярную массу, чем амилоза.
Запись полного гидролиза крахмала без промежуточных этапов:
Целлюлоза (клетчатка) – наиболее распространенный растительный полисахарид. Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.
Так как в звене целлюлозы содержится 3 гидроксильные группы, то при нитровании целлюлозы избытком азотной кислоты возможно образование тринитрата целлюлозы, взрывчатого вещества пироксилина:
При действии на целлюлозу уксусного ангидрида (упрощённо-уксусной кислоты) происходит реакция этерификации, при этом возможно участие в реакции 1, 2 и 3 групп ОН.
Получается ацетат целлюлозы – ацетатное волокно.
Целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде может гидролизоваться, в результате тоже получается глюкоза. Но процесс идёт гораздо труднее.
Теория по теме Углеводы. Краткие конспект по углеводам. Классификация углеводов, химические свойства углеводов, способы получения углеводов. Свойства и получение моносахаридов (глюкоза, фруктоза), олигосахаридов (сахароза и др.), полисахаридов.
